TCP連接遷移的移動無線傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)可靠傳輸技術(shù)研究

張樂君，國 林，張健沛，楊 靜

(哈爾濱工程大學(xué) 計算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150001)

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(wireless sensor networks，WSNs)由大量具備數(shù)據(jù)處理和通信能力的傳感器節(jié)點組成，其目的是協(xié)作的感知、采集網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍內(nèi)監(jiān)測對象的相關(guān)信息，并通過短距離無線多跳的通信方式將監(jiān)測數(shù)據(jù)發(fā)送給網(wǎng)關(guān)，提供給用戶進(jìn)行分析和處理［1］.在傳感器節(jié)點能量儲備和計算能力等資源普遍受限的條件下，能否為網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)傳輸提供可靠的傳輸控制機(jī)制，以保證信息的有效獲取和網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)化管理，就成為WSN中一個基本問題，也是衡量WSN網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量的一個重要指標(biāo).

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的可靠傳輸是應(yīng)用層協(xié)議的主要功能之一，傳統(tǒng)的TCP和UDP雖然在互聯(lián)網(wǎng)上得到了很好的應(yīng)用，但并不適用于無線傳感器網(wǎng)絡(luò).在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，節(jié)點間的無線通信質(zhì)量往往不穩(wěn)定，從而導(dǎo)致較高的分組丟失率，影響數(shù)據(jù)的可靠傳輸;節(jié)點的移動性使通信鏈路和節(jié)點的路由信息發(fā)生改變，給數(shù)據(jù)的可靠傳輸帶來嚴(yán)重影響.典型的可靠傳輸協(xié)議包括以下幾種:PSFQ協(xié)議［2］，RMST協(xié)議［3］，RBC 協(xié)議［4］，STCP 協(xié)議［5］，其他見文獻(xiàn)［6-9］.

現(xiàn)有的可靠傳輸協(xié)議主要研究全部節(jié)點都靜止的情況，傳感器節(jié)點的移動給傳感器網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)帶來更高的動態(tài)性，也增加了可靠傳輸協(xié)議的復(fù)雜性，但可以均衡整個網(wǎng)絡(luò)的能量消耗，從而延長網(wǎng)絡(luò)生存周期，因此本文針對可移動傳感器網(wǎng)絡(luò)的可靠持續(xù)傳輸問題進(jìn)行研究.

1 TCP連接遷移技術(shù)

TCP連接遷移［10］的主要思想是將一條連接的一個端點遷移到另一個節(jié)點，而這個遷移對于連接的另一端點來說是透明的，并且遷移以后的連接可完全正常運行下去.這就是說，在適當(dāng)?shù)臅r機(jī)，前端服務(wù)程序(前端)根據(jù)自身的服務(wù)狀態(tài)，將與該客戶的連接遷移至另一個服務(wù)端程序上(后端).后端服務(wù)程序根據(jù)前端發(fā)送過來的數(shù)據(jù)進(jìn)行現(xiàn)場重構(gòu)，并采用連接傳遞技術(shù)將構(gòu)造出的資源交給屬主進(jìn)程，屬主繼續(xù)完成服務(wù)并將處理結(jié)果傳遞給服務(wù)請求者.其涉及到的主要技術(shù)包括連接重構(gòu)技術(shù)和連接傳遞技術(shù).

1.1 連接重構(gòu)技術(shù)

連接現(xiàn)場重構(gòu)技術(shù)用得到的連接信息重構(gòu)連接現(xiàn)場，即將連接的一切數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)在后端服務(wù)程序的操作系統(tǒng)內(nèi)核中重建.實際是“鏡像”了該連接在前端一方的現(xiàn)場.該技術(shù)的主要步驟為:1)分配記錄連接信息的sock結(jié)構(gòu)并初始化;2)查找到服務(wù)請求方的路由，將路由信息填入sock結(jié)構(gòu);3)根據(jù)遷移協(xié)議從遷移請求報文提取連接信息;4)根據(jù)提取得到的連接信息修改sock結(jié)構(gòu)的一些域;5)將該sock結(jié)構(gòu)登記到系統(tǒng)的相關(guān)表格中.

1.2 連接傳遞技術(shù)

連接是一個靜態(tài)的概念，可以看成是一種資源.連接現(xiàn)場重構(gòu)技術(shù)只是構(gòu)造出了資源，還必須把它交給屬主，才能為屬主所利用.這里的屬主，是提供服務(wù)的應(yīng)用層程序.連接傳遞技術(shù)就是要解決讓應(yīng)用層服務(wù)程序接受這個構(gòu)造出來的連接請求.連接傳遞技術(shù)將一個連接從一個進(jìn)程傳遞給另一個監(jiān)聽進(jìn)程.

連接傳遞技術(shù)的步驟:1)將連接的sock結(jié)構(gòu)與源進(jìn)程脫鏈;2)構(gòu)造出該連接在初始建立時的環(huán)境;3)建立sock結(jié)構(gòu)與初始環(huán)境(open-request結(jié)構(gòu))的聯(lián)系;4)將open-request結(jié)構(gòu)掛到目的監(jiān)聽進(jìn)程的接收隊列上;5)將目的監(jiān)聽進(jìn)程喚醒.

2 基于連接遷移的移動無線傳感器網(wǎng)絡(luò)可靠傳輸技術(shù)

2.1 前提條件

條件1:傳感器網(wǎng)絡(luò)中包括簇節(jié)點和傳感器節(jié)點，簇節(jié)點負(fù)責(zé)向上層轉(zhuǎn)發(fā)本區(qū)域的數(shù)據(jù)，簇節(jié)點的通信半徑為R，其臨界區(qū)半徑為，傳感器節(jié)點的通信半徑為R.

條件2:傳感器網(wǎng)絡(luò)中簇節(jié)點按照任意相鄰兩個節(jié)點的間隔距離為R進(jìn)行部署，部署結(jié)構(gòu)如圖1所示，其中每個正方形匯聚點上部署一個簇節(jié)點，傳感器節(jié)點隨機(jī)布置.

條件3:傳感網(wǎng)絡(luò)中任何節(jié)點可以探測到其通信范圍內(nèi)的其他節(jié)點的精確位置信息.

條件4:傳感器網(wǎng)絡(luò)中簇節(jié)點位置固定，傳感器節(jié)點可以隨機(jī)移動，但其移動速度小于R/T，其中T為探測節(jié)點位置時間周期.

圖1 移動傳感器網(wǎng)絡(luò)示意圖Fig.1 Mobile wireless sensor network

2.2 相關(guān)算法

根據(jù)前提條件的假設(shè)，傳感器網(wǎng)絡(luò)中包括簇節(jié)點和傳感器節(jié)點，簇節(jié)點在布網(wǎng)時進(jìn)行設(shè)置，傳感器節(jié)點隨機(jī)分布，并可以在一定條件下隨機(jī)移動.首先，傳感器節(jié)點加入傳感器網(wǎng)絡(luò)的時候要選擇一個簇節(jié)點作為它的上級節(jié)點，并和這個節(jié)點建立TCP連接，以便上傳其所探測的數(shù)據(jù)，簇節(jié)點選擇算法如下:

算法名稱:傳感器節(jié)點通信算法

輸入:傳感器節(jié)點n，與傳感器節(jié)點相鄰簇節(jié)點{m0，m1，…，m4，}

輸出:與其建立連接簇節(jié)點m

算法描述:

簇節(jié)點選擇算法中，傳感器節(jié)點選取距離其最近的簇節(jié)點建立TCP連接.由于傳感器節(jié)點具有移動性質(zhì)，因此它可能會超出所連接簇節(jié)點的通信區(qū)域.為了保證連接的持續(xù)和透明，因此選擇連接遷移的目標(biāo)簇節(jié)點就變得十分關(guān)鍵，簇節(jié)點的選擇算法如下:

算法名稱:TCP連接遷移節(jié)點選擇算法

輸入:與傳感器簇節(jié)點m保持TCP連接的傳感器節(jié)點

輸出:連接遷移節(jié)點編號集合{m0，m1，…，mx，}算法描述:

在上述算法中，簇節(jié)點每隔固定時間周期T探測是否存在需要進(jìn)行連接遷移的傳感器節(jié)點，對超出其臨界區(qū)的傳感器節(jié)點選擇需要連接遷移的簇節(jié)點，由于在前提條件4中設(shè)定傳感器節(jié)點的移動速度小于因此任何傳感器節(jié)點不會在一個時間周期內(nèi)，跨越整個臨界區(qū)，這就為連接遷移提供了必要的時間保證.

2.3 移動傳感器節(jié)點可靠數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)

根據(jù)2.2節(jié)介紹的簇節(jié)點選擇算法和TCP連接遷移節(jié)點選擇算法并結(jié)合圖2對移動傳感器網(wǎng)絡(luò)連接遷移方法進(jìn)行說明.首先，傳感器節(jié)點C使用簇節(jié)點選擇算法和節(jié)點A建立連接，并進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，節(jié)點C以速度V移動，當(dāng)其移動到節(jié)點A的通信臨界區(qū)時(還未移出A的通信覆蓋區(qū))，簇節(jié)點A利用TCP連接遷移節(jié)點選擇算法，發(fā)現(xiàn)需要將和C的連接信息在節(jié)點B上重構(gòu);當(dāng)重構(gòu)結(jié)束時，節(jié)點C將直接和節(jié)點B進(jìn)行數(shù)據(jù)通信.

圖2 TCP連接遷移示意圖Fig.2 TCP connection handoff

整個連接遷移過程對傳感器節(jié)點透明，因此不需要在傳感器節(jié)點實現(xiàn)上不需要特殊的技術(shù)，下面講述簇節(jié)點的連接遷移過程和相關(guān)技術(shù).

簇節(jié)點模塊結(jié)構(gòu)如圖3所示.

圖3 簇節(jié)點模塊結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Modules structure of a cluster node

3 仿真實驗與分析

3.1 簇節(jié)點關(guān)鍵模塊實現(xiàn)

簇節(jié)點的TCP連接遷移技術(shù)在Linux平臺下用C語言實現(xiàn)，連接遷移主要涉及2個模塊:連接信息發(fā)送模塊和連接重構(gòu)模塊.

3.1.1 連接信息發(fā)送模塊

連接信息發(fā)送模塊主要完成提取連接現(xiàn)場相關(guān)信息和請求數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)功能.該模塊在虛擬IP地址上的特定端口監(jiān)聽，接收來自傳感器節(jié)點的請求數(shù)據(jù)包，通過TCP連接遷移節(jié)點選擇模塊提供的目標(biāo)簇節(jié)點發(fā)送遷移請求及連接信息.

ack數(shù)據(jù)包是TCP協(xié)議保障數(shù)據(jù)包正確順序傳輸?shù)幕貞?yīng)數(shù)據(jù)包，ack數(shù)據(jù)包在分發(fā)模塊的處理是通過Netfilter上的鉤子函數(shù)實現(xiàn)的，當(dāng)鉤子函數(shù)解析到一個ack數(shù)據(jù)包是屬于某個已經(jīng)遷移的連接時，就要對其進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)，這里分為2種情況:1)連接被遷移到另一個簇節(jié)點上的連接重構(gòu)模塊，此時需要使用動態(tài)生成ip隧道包方式轉(zhuǎn)發(fā)，在鉤子的出口處刪除這個包的相關(guān)數(shù)據(jù);2)連接信息在本節(jié)點上重構(gòu)，此時，將ack數(shù)據(jù)包的過濾結(jié)果設(shè)為NF_ACCEPT，也就是直接送入簇節(jié)點的協(xié)議棧進(jìn)行處理，因為應(yīng)用層協(xié)議的socket也在本機(jī)等待數(shù)據(jù)，所以這個ack數(shù)據(jù)包就被直接送給了相應(yīng)的socket.

因為需要與運行在用戶空間的TCP連接遷移節(jié)點選擇模塊進(jìn)行交換信息，所以必須進(jìn)行內(nèi)核與用戶空間的通信，本文選擇了proc文件系統(tǒng)機(jī)制，該方法是在內(nèi)核模塊裝載時要定義一系列靜態(tài)ctl_table結(jié)構(gòu)體數(shù)組，包括目錄項、目錄和宿主根項，只要在定義結(jié)構(gòu)體時指定特定的參數(shù)和屬性以及名稱即可，模塊裝載時調(diào)用register_sysctl_table函數(shù)把根項注冊進(jìn)proc文件系統(tǒng)，此時在用戶空間的proc文件系統(tǒng)里就注冊了一些變量，這些變量和內(nèi)核的指定變量掛鉤，同步更新，就完成了用戶空間和內(nèi)核空間的數(shù)據(jù)通信.

3.1.2 連接重構(gòu)模塊

連接重構(gòu)模塊主要完成連接現(xiàn)場重構(gòu)和請求數(shù)據(jù)的傳遞.

連接重構(gòu)模塊在監(jiān)聽地址收到數(shù)據(jù)時，需要對緩沖區(qū)里的數(shù)據(jù)進(jìn)行解析.如果是遷移請求包則調(diào)用現(xiàn)場重構(gòu)取得連接信息數(shù)據(jù)，在本地重新申請一個連接套接字，把連接信息發(fā)送模塊發(fā)來的連接信息填入這個套接字中，修改該套接字的路由信息使數(shù)據(jù)直接發(fā)往傳感器節(jié)點，接著把用戶請求數(shù)據(jù)掛到該連接的數(shù)據(jù)隊列中并喚醒上層協(xié)議進(jìn)行處理，重構(gòu)現(xiàn)場成功后構(gòu)造HANDOFF_RET數(shù)據(jù)包發(fā)給連接信息發(fā)送模塊，重構(gòu)過程結(jié)束.

3.2 實驗與分析

仿真實驗參數(shù)設(shè)置如下:模擬了由25個簇節(jié)點構(gòu)成的覆蓋區(qū)域和若干個傳感器節(jié)點，通過隨機(jī)數(shù)的方法確定傳感器節(jié)點的初始位置和移動過程;傳感器節(jié)點每隔隨機(jī)時間發(fā)起數(shù)據(jù)通信請求;通過控制填充通信數(shù)據(jù)的內(nèi)容長度來控制通信響應(yīng)時間.如果傳感器節(jié)點移動到整個覆蓋區(qū)域邊界，采用向覆蓋區(qū)域內(nèi)部折射的方法，保證節(jié)點不超出覆蓋區(qū).

圖4和圖5分別統(tǒng)計了在500 s時間內(nèi)，傳感器節(jié)點發(fā)生連接遷移次數(shù)和數(shù)據(jù)通信響應(yīng)時間以及傳感器節(jié)點數(shù)目的關(guān)系.隨著通信響應(yīng)時間的增加，傳感器節(jié)點在一次通信過程中發(fā)生遷移的次數(shù)呈指數(shù)遞增，但發(fā)生2次或3次遷移的次數(shù)較小，發(fā)生多次遷移的主要原因是傳感器節(jié)點在兩個簇節(jié)點間來回移動;連接遷移次數(shù)和傳感器節(jié)點數(shù)目呈線性遞增關(guān)系.

圖4 遷移次數(shù)與通信響應(yīng)時間關(guān)系示意圖Fig.4 The relationship of handoff times and respond time

圖6對使用TCP連接遷移和未采用連接遷移的傳感器網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行了對比分析.從圖中可知，隨著通信數(shù)據(jù)量的增加，傳感器節(jié)點的移動對數(shù)據(jù)的可靠傳輸帶來嚴(yán)重影響，當(dāng)通信響應(yīng)時間達(dá)到2 s時，未采用連接遷移技術(shù)的傳感器網(wǎng)絡(luò)的完成率只有50%左右，因此基本不具有實際應(yīng)用的意義;但采用連接遷移技術(shù)的傳感器網(wǎng)絡(luò)完成率依然保持在90%左右，因此具有更好的可靠傳輸能力.

圖5 遷移次數(shù)與傳感器節(jié)點數(shù)目關(guān)系示意圖Fig.5 The relationship of handoff times and the number of sensor nodes

圖6 基于TCP連接遷移傳感器網(wǎng)絡(luò)性能分析圖Fig.6 Performance analysis of MWSN reliable transport technology based on TCP connection handoff

4 結(jié)束語

本文提出的基于TCP連接遷移的移動傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)可靠傳輸技術(shù)和方法在前提條件限制上還比較嚴(yán)格，是對可移動傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)可靠傳輸?shù)挠幸嫣接?未來還需要針對不同傳感器節(jié)點通信范圍不同，簇節(jié)點非均勻分布等條件下的可靠傳輸技術(shù)進(jìn)行研究，傳感器節(jié)點移動對網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)帶來的變化，可移動傳感器網(wǎng)絡(luò)下的數(shù)據(jù)融合等方面展開深入研究.

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